Annotation

Один из самых блестящих ученых нашего времени, известный нетолько смелостью идей, но также ясностью и остроумием их выражения,Хокингувлекаетнаскпереднемукраюисследований, гдеправдакажетсяпричудливее вымысла, чтобы объяснить простыми словами принципы,которыеуправляютВселенной.

Великолепные цветные иллюстрации служат нам вехами в этомстранствиипоСтранечудес,гдечастицы,мембраныиструныдвижутсяводиннадцатиизмерениях,гдечерныедырыиспаряются,игдекосмическоесемя,изкотороговыросланашаВселенная,былокрохотныморешком.

Книга-журнал состоит из иллюстраций (215), со вставками текста.Поэтому размер ее больше стандартной fb2 книги. Иллюстрациивычищены и подготовлены для устройств с экранами от 6' (800x600) иболее,длячтениярекомендуетсяCoolReader.

Просьба НЕ пересжимать иллюстрации, т. к. они уже сжаты помаксимуму (где-то Png с 15 цветами и более, где то jpg с прогрессивнойпалитрой с q. от 50–90), делатьразмериллюстрацийменьше—неимеетсмысла (текстнаилл. будетнечитаемый), во вторых—именно по этойпричинекнига переделана с нуля,— в библиотеке была только версия смелкими илл. плохого качества. Макс. размер картинок: 760(высота) x570(ширина). Книга распознавалась с ~300mb pdf, часть картинок былизамененынаидент.ссети(качестволучше),частьобъединеныт.к.иногдаодна илл. — на двух страницах бум. книги. Также исправленапоследовательность илл. в тексте— в рус. оригинале онишли на 2 стр.раньше,здесьилл.идетсразупослессылкивтексте.Psychedelic

СтивенХокингПредисловиеГлава1Глава2Глава3Глава4Глава5Глава6Глава7

Краткийпереченьрезультатов,полученныхнаколлайдере(август2013):Нерешённыепроблемысовременнойфизики

ТеоретическиепроблемыЭмпирическиеявлениябезчёткогонаучногообъяснения

Глоссарийnotes

12345678910111213141516171819202122

СтивенХокингМирвореховойскорлупке

Предисловие

Я не ожидал, что моя научно-популярная книга «Краткая историявремени» окажется настолько успешной. В списке бестселлеровлондонской«Сандитайме»онапродержаласьболеечетырехлет—дольшелюбойдругойкниги,чтоособенноудивительнодляизданияонауке,ведьони обычно расходятся не очень быстро. Потом люди стали спрашивать,когдаожидатьпродолжения.Япротивился,мненехотелосьписатьчто-товроде «Продолжения краткой истории» или «Немного более длиннойистории времени». А еще я был занят исследованиями. Но постепенностало ясно, что можно написать другую книгу, которая имеет шансоказаться проще для понимания. «Краткая история времени» былапостроенапо линейной схеме: в большинстве случаев каждая следующаяглава логически связана с предшествующими. Одним читателям этонравилось, но другие, застряв на первых главах, так и не добирались доболее интересных тем. Настоящая книга построена иначе — она скореепохожанадерево: главы1и2образуютствол,откоторогоотходятветвиостальныхглав.

Эти«ответвления»взначительнойстепенинезависимыдруготдруга,и,получивпредставлениео«стволе»,читательможетзнакомитьсяснимивпроизвольномпорядке.Онисвязанысобластями,вкоторыхяработалилио которых размышлял после публикации «Краткой истории времени». Тоесть отображают наиболее активно развивающиеся направлениясовременныхисследований.Внутрикаждойглавыятакжепопыталсяуйтиот линейной структуры. Иллюстрации и подписи к ним указываютчитателю альтернативный маршрут, как в «Иллюстрированной краткойистории времени», изданной в 1996 г. Врезки и замечания на поляхпозволяютзатронутьнекоторыетемыглубже,чемэтовозможновосновномтексте.

В 1988 г., когда впервые вышла «Краткая история времени»,впечатление было такое, что окончательная Теория Всего едва-едвазамаячила на горизонте. Насколько с тех пор изменилась ситуация?Приблизилисьлимыкнашейцели?Каквыузнаетеизэтойкниги,прогрессбылвесьмазначительным.Нопутешествиеещепродолжается,иконцаемупока не видно. Как говорится, лучше продолжать путь с надеждой, чемприбытькцели[1].Нашипоискииоткрытияпитаюттворческуюактивностьво всех сферах, не только в науке. Если мы достигнем конца пути,человеческий дух иссохнет и умрет. Но я не думаю, что мы когда-либоостановимся:будемдвигатьсяеслиневглубину,товсторонуусложнения,всегдаоставаясьвцентрерасширяющегосягоризонтавозможностей.

Я хочу поделиться моим волнением от сделанных открытий иизобразить реальность такой, какой она предстает перед нами. Ясконцентрировался на тех вопросах, над которыми работал сам, в силучувства причастности. Детали этой работы крайне специальны, но яуверен, что основные идеи можно передать и тому, кто не обладаетбольшимматематическимбагажом.Надеюсь,чтомнеэтоудалось.

В работе над этой книгой у меня было много помощников. Особо яхотел бы отметить Томаса Хертога и Нила Ширера за их помощь срисунками, подписями и врезками, Энн Харрис и Китти Фергюссон,которые редактировали рукопись (или, точнее, компьютерные файлы,поскольку все, что я пишу, появляется в электронной форме), ФилиппаДанна из Book Laboratory и Moonrunner Design, который создалиллюстрации.Нокроме того, я хочупоблагодарить всех тех, ктодалмневозможность вести нормальную жизнь и заниматься научнымиисследованиями.Безнихэтакниганебылабынаписана.

СтивенХокингКембридж,2мая2001г.

Глава1Краткаяисторияотносительности

Отом,какЭйнштейнзаложилосновыдвухфундаментальныхтеорийХХвека:общей теории относительности и квантовой

механики

Альберт Эйнштейн, создатель специальной и общей теорийотносительности, родился в 1879 г. в немецком городе Ульме, позднеесемьяперебраласьвМюнхен,гдеуотцабудущегоученого,Германа,иегодяди, Якоба, была небольшая и не слишком преуспевающаяэлектротехническая фирма. Альберт не был вундеркиндом, но

утверждения, будто он не успевал в школе, выглядят преувеличением. В1894 г. бизнес его отца прогорел, и семья переехала в Милан. Родителирешили оставить Альберта в Германии до окончания школы, но он невыносил немецкого авторитаризма и спустя несколько месяцев бросилшколу, отправившись в Италию к своей семье. Позднее он завершилобразование в Цюрихе, получив в 1900 г. диплом престижногоПолитехникума (Eidgenössische Technische Hochschule — Высшеетехническое училище). Склонность к спорам и нелюбовь к начальствупомешалиЭйнштейнуналадитьотношения спрофессорамиЕТН, такчтоникто из них не предложил ему места ассистента, с которого обычноначиналась академическая карьера. Только через два года молодомучеловеку наконец удалось устроиться на должность младшего клерка вШвейцарскомпатентномбюровБерне.Именновтотпериод,в1905г.,оннаписал три статьи, которые не только сделали Эйнштейна одним изведущихученыхмира, ноиположилиначалодвумнаучнымреволюциям— революциям, которые изменили наши представления о времени,пространствеисамойреальности.

К концу XIX века ученые считали, что вплотную подошли кисчерпывающему описанию Вселенной. По их представлениям,пространство было заполнено непрерывной средой — «эфиром». Лучисветаирадиосигналырассматривалиськакволныэфира,подобнотомукакзвук представляет собой волны плотности воздуха. Все, что требовалосьдля завершения теории, — это тщательно измерить упругие свойстваэфира. Имея в виду эту задачу, Джефферсоновскую лабораторию вГарвардскомуниверситетепостроилибезединогожелезногогвоздя,чтобыизбежать возможных помех в тончайших магнитных измерениях. Однакопроектировщики забыли, что красно-коричневый кирпич, которыйиспользовался при возведении лаборатории, да и большинства другихзданийГарварда,содержитзначительноеколичествожелеза.Зданиеслужитпо сей день, но в Гарварде так и не знают, какой вес смогут выдержатьперекрытиябиблиотеки,несодержащиежелезныхгвоздей.

К концу столетия концепция всепроникающего эфира началасталкиватьсяструдностями.Ожидалось,чтосветдолженраспространятьсяпоэфирусфиксированнойскоростью,ноесливысамидвижетесьсквозьэфир в том же направлении, что и свет, скорость света должна казатьсяменьше, а если вы движетесь в противоположном направлении, скоростьсветаокажетсябольше(рис.1.1).

Рис.1.1Теориянеподвижногоэфира

Еслибысветбылволнойвупругомвеществе,называемомэфиром,егоскоростьказаласьбывышетому,ктодвижетсянакосмическомкораблеемунавстречу(а),иниже—тому,ктодвижетсявтомженаправлении,чтоисвет(б).

Однако в ряде экспериментов эти представления не удалосьподтвердить.Наиболееточныйикорректныйизнихосуществилив1887г.Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в Школе прикладных наук Кейза,Кливленд,штатОгайо.Онисравнилискоростьсветавдвухлучах,идущихподпрямымугломдругкдругу.ПосколькуЗемлявращаетсявокругсвоейоси и обращается вокруг Солнца, скорость и направление движенияаппаратуры сквозь эфир меняется (рис. 1.2). НоМайкельсон иМорли необнаружилини суточных, ни годичныхразличий в скорости света в двухлучах.Получалось,будтосветвсегдадвижетсяотносительновассоднойитойжескоростью,независимооттого,какбыстроивкакомнаправлениидвижетесьвысами(рис.1.3).

Рис.1.2

Не было обнаружено никаких различий между скоростью света внаправлении движения Земли по орбите и скоростью света вперпендикулярномнаправлении.

Основываясь на эксперименте Майкельсона — Морли, ирландскийфизик Джордж Фитцджералд и голландский физик Хендрик Лоренцпредположили, что тела, движущиеся сквозь эфир, должны сжиматься, ачасы— замедляться. Это сжатие и замедление таковы, что люди всегдабудутполучатьприизмеренияходинаковуюскоростьсветанезависимооттого, как они движутся относительно эфира. (ФитцджералдиЛоренцпо-прежнему считали эфир реальной субстанцией.) Однако в статье,написанной в июне 1905 г.,Эйнштейн отметил, что еслиникто неможетопределить, движется он сквозь эфир или нет, то само понятие эфирастановитсялишним.Вместоэтогоонначалспостулата,чтозаконыфизикидолжныбытьодинаковымидлявсехсвободнодвижущихсянаблюдателей.Вчастности,всеони,измеряяскоростьсвета,должныполучатьоднуитуже величину, с какой бы скоростью ни двигались сами. Скорость светанезависимаотихдвиженийиодинаковавовсехнаправлениях.

Рис.1.3.Измерениескоростисвета

В интерферометре Майкельсона — Моря и свет источника

расщеплялся на два луча полупрозрачным зеркалом. Лучи двигалисьперпендикулярно друг другу, а потом объединялись вновь, попадая наполупрозрачное зеркало. Разница в скорости лучей света, движущихся вдвухнаправлениях,моглабыпривестиктому,чтогребниволнодноголучапришлибыодновременносвпадинамиволндругогоивзаимнопогасилидругдруга.

Схема эксперимента, реконструированная по иллюстрации, котораяпоявиласьвжурнале«Сайнтификамерикен»в1887г.

Ноэтотребуетотброситьпредставлениеотом,чтосуществуетединая

длявсехвеличина,называемаявременем,которуюизмеряютлюбыечасы.Вместо этого у каждого должно быть свое собственное, персональноевремя.Время двух человек будет совпадать, только если они находятся впокоедруготносительнодруга,ноневтомслучае,еслионидвижутся.

Это было подтверждено рядом экспериментов. В одном из них дваочень точных хронометра отправили вокруг света в противоположныхнаправлениях, и по возвращении их показания слегка различались(рис.1.4).Отсюдаможносделатьвывод,что,желаяпродлитьсвоюжизнь,надопостояннолететьнавосток, чтобыскорость самолетадобавляласькскоростивращенияЗемли.Однаковыигрышсоставитлишьдолисекундыибудет полностью сведен на нет качеством пищи, которой кормятпассажировавиакомпании.

Рис.1.4

Одна из версий парадокса близнецов (см. рис. 1.5) была проверенаэкспериментально путем отправки двух высокоточных хронометроввокруг света в противоположных направлениях. При встрече показаниячасов,которыелетелинавосток,оказалисьнемногоменьше.

Рис.1.5Парадоксблизнецов

Согласнотеорииотносительностикаждыйнаблюдательимеетсвоюмеру времени. Это может приводить к так называемому парадоксублизнецов. Один из близнецов (а) отправляется в космическоепутешествие,входекоторогодвижетсясоколо-световойскоростью(с),аегобрат(Ь)остаетсянаЗемле.Из-задвижениявкосмическомкорабле

времядляпутешественника (а)идетмедленнее,чемдляегоблизнеца (Ь)на Земле. Поэтому, вернувшись, космический путешественник (а2)обнаружит,чтоегобрат(Ь2)постарелбольше,чемонсам.

Хотя это кажется противоречащим здравому смыслу, рядэкспериментов подтверждает, что в этом сценарии путешествующийблизнецдействительнобудетмоложе.

Рис.1.6

Космический корабль пролетает мимо Земли со скоростью, равнойчетыремпятымотскоростисвета.Импульссветаиспускаетсяводном

концекабиныиотражаетсяобратновдругом(а).Засветомследятлюдина Земле и на корабле. Из-за движения космического корабля ониразойдутся в оценке пути, пройденного светом (Ь).Онитакже должныразойтисьвоценкевремени,котороесветзахватилнадвижениетудаиобратно, поскольку согласно постулату Эйнтейна скорость светапостояннадлявсехсвободнодвижущихсянаблюдателей.

Постулат Эйнштейна о том, что законы природы должны бытьодинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей, стал основойтеорииотносительности,получившейтакоеназваниепотому,чтозначениеимеют только относительные движения. Ее красоту и простоту признаютмногиемыслители,ноостаетсяинемалотех,ктодумаетиначе.Эйнштейнотбросил два абсолюта науки XIX века: абсолютный покой,представленный эфиром, и абсолютное универсальное время, котороеизмеряют все часы. Многих людей тревожит эта концепция. Неподразумевается ли, спрашивают они, что все на свете относительно, такчто нет больше абсолютных моральных стандартов? Это беспокойствоощущалось на протяжении всех 1920-х и 1930-х гг. Когда в 1921 г.Эйнштейну присуждали Нобелевскую премию, то ссылались на важную,но (по его масштабам) сравнительно небольшую работу, такжевыполненную в 1905 г. О теории относительности даже не упомянули,поскольку она считалась слишком спорной. (Я до сих пор два-три раза внеделю получаю письма, в которых мне сообщают, что Эйнштейн былнеправ.) Несмотря на это, теория относительности сегодня полностьюпринята научным сообществом, а ее предсказания были проверены вбесчисленномколичествеэкспериментов(рис.1.5,1.6).

Оченьважнымследствиемтеорииотносительностисталасвязьмеждумассой и энергией. Из постулата Эйнштейна о том, что скорость светадолжна быть одинакова для всех, вытекает невозможность двигатьсябыстрее, чем свет. Если использовать энергию для ускорения некоегообъекта, будь это элементарная частица или космический корабль, егомасса станет возрастать, делая дальнейшее ускорение все более трудным.Разогнать частицу до скорости света будет невозможно, поскольку на этопотребуется бесконечное количество энергии. Масса и энергияэквивалентны, что и выражает знаменитая формула ЭйнштейнаЕ=mc2.Это, вероятно, единственная физическая формула, которую узнают наулицах.

Одним из ее следствий стало понимание того, что если ядро атомаурана распадается на два ядра с немного меньшей суммарноймассой, топриэтомдолжновыделятьсяогромноеколичествоэнергии(рис.1.8).

В 1939 г., когда стала очевидна перспектива новой мировой войны,группа ученых, которые понимали ее последствия, убедили Эйнштейнапреодолеть пацифистские сомнения и поддержать своим авторитетомобращение к президенту Рузвельту с призывом к Соединенным Штатамначатьпрограммуядерныхисследований.

Это привело к появлению Манхэттенского проекта и, в конечномсчете, бомб, которые взорвались над Хиросимой и Нагасаки в 1945 г.НекоторыелюдивинятзаатомнуюбомбуЭйнштейна,посколькуоноткрыл

соотношение между массой и энергией, но с тем же успехом можнообвинять Ньютона в крушении самолетов, поскольку он открылгравитацию. Сам Эйнштейн не принимал никакого участия вМанхэттенскомпроектеипришелвужасотбомбардировки.

Пророческоеписьмо,отправленноеЭйнштейномпрезидентуРузвельту

в1939г.

«В течение последних четырех месяцев благодаря работамЖолио во Франции, а также Ферми и Сциларда в Америке,вероятно, появилась возможность запуска ядерной цепнойреакции в крупной массе урана, вследствие чего может бытьвысвобожденаогромнаяэнергияиполученобольшоеколичествоэлементов,подобныхрадию.Можносчитатьпочтидостоверным,чтоэтоудастсяреализоватьвближайшембудущем.

Это новое явление способно также привести к созданиюбомб и, что возможно, хотя уверенность в этом меньше,исключительномощныхбомбновоготипа».

Ядернаяэнергиясвязи

Ядрасостоятизпротоновинейтронов,которыеудерживаютсявместесильнымвзаимодействием.Номассаядравсегдаменьшесуммарноймассыпротонов и нейтронов, из которых оно состоит. Разница служит меройядернойэнергиисвязи,котораяудерживаетчастицывядре.ЭнергиюсвязиможновычислитьпоформулеЭйнштейнаΔmc2,гдеΔm—разницамеждумассойядраисуммоймассвходящихвнегочастицу—скоростьсвета.

Именно выделение этой потенциальной энергии порождаетразрушительнуюмощьядерныхустройств.

Послесвоихпионерскихстатей1905г.Эйнштейнзавоевалуважениевнаучном сообществе. Но только в 1909 г. ему предложили место вЦюрихском университете, что позволило расстаться с Швейцарскимпатентнымбюро.ДвагодаспустяонперебралсявНемецкийуниверситетвПраге, но в 1912 г. вернулся вЦюрих,на этораз—вЕТН.Несмотрянаантисемитизм, охвативший тогда большую часть Европы и проникшийдаже в университеты, Эйнштейн теперь очень высоко котировался какученый.КнемупоступилипредложенияизВеныиУтрехта,ноонрешилотдатьпредпочтениедолжностиисследователяПрусской академиинаук вБерлине, поскольку она освобождала его от преподавательскихобязанностей. Он переехал в Берлин в апреле 1914 г., и вскоре к нему

присоединилисьженаидвоесыновей.Носемейнаяжизньнезаладилась,идовольно быстро семья ученого вернулась в Цюрих. Несмотря на егоэпизодическиевизитыкжене,онивконцеконцовразвелись.

Эйнштейн позднее женился на своей кузине Эльзе, которая жила вБерлине.ОднаковсегодыПервоймировойвойныоноставалсясвободнымот семейныхуз, отчего, возможно, этотпериод егожизниоказался такимплодотворнымдлянауки.

Хотя теория относительности полностью соответствует законам,которые управляют электричеством и магнетизмом, она несовместима сньютоновским законом тяготения. Этот последний говорит, что еслиизменить распределение вещества в одном месте пространства, тоизменения гравитационного поля мгновенно проявятся повсюду воВселенной. Это не только означает возможность передавать сигналы сосверхсветовойскоростью(чтозапрещенотеориейотносительности),но—для придания смысла понятию «мгновенно» — требует такжесуществования абсолютного или универсального времени, от котороготеорияотносительностиотказаласьвпользуиндивидуальноговремени.

Эйнштейн знал об этой трудности с 1907 г., когда еще работал вбернском патентном бюро, но только в 1911 г. в Праге начал серьезнодуматьнадпроблемой.Онпонял,чтоестьтеснаясвязьмеждуускорениеми гравитационным полем. Находясь в небольшом замкнутом помещении,например в лифте, нельзя сказать, покоится ли оно в земномгравитационном поле или ускоряется ракетой в открытом космосе.(Конечно, это было задолго до появления сериала «Звездный путь»[2], иЭйнштейн скорее представлял себе людей в лифте, чем в космическомкорабле.) Но в лифте нельзя долго ускоряться или свободно падать: всебыстрозакончитсякатастрофой(рис.1.9).

Рис.1.9

НаблюдательвконтейнеренеощущаетразницымеждупребываниемвнеподвижномлифтенаЗемле(а)иперемещениемвракете,движущейсяс ускорением в свободном пространстве (Ь). Отключение двигателяракеты(с)ощущалосьбыточнотакже,каксвободноепадениелифтанадношахты(d).

Если бы Земля была плоской, мы могли бы с равным успехомприписать падение яблока на головуНьютона как тяготению, так и тому,что Ньютон вместе с поверхностью Земли ускоренно двигался вверх(рис. 1.10). Такой эквивалентности между ускорением и гравитацией не

наблюдается, однако, на круглой Земле: люди на противоположныхсторонах земною шара должны были бы ускоряться в разныхнаправлениях,оставаясьприэтомнапостоянномрасстояниидруготдруга(рис.1.11).

Рис.1.11

НоковременивозвращениявЦюрихв1912г.вголовеЭйнштейнаужесложилось понимание, что эквивалентность должна работать, еслипространство-времяокажетсяискривленным,анеплоским,каксчиталосьв прошлом. Идея состояла в том, что масса и энергия должны изгибатьпространство-время, но как именно — это еше предстояло определить.Такиеобъекты,какяблокиилипланеты,должныстремитьсяктому,чтобыдвигаться сквозь пространство-время по прямым линиям, но их путивыглядят искривленными гравитационнымполем, потому что искривлено

самопространство-время(рис.1.12).

Рис.1.12Искривлениепространства-времени

Ускорение и гравитация могут быть эквивалентны, только еслимассивное тело искривляет пространство-время, тем самым изгибаятраекторииобъектоввсвоейокрестности.

С помощью своего друга Марселя Гроссмана Эйнштейн изучилтеорию искривленных пространств и поверхностей, которая быларазработана ранее ГеоргомФридрихом Риманом.Но Риман думал толькооб искривленном пространстве. Эйнштейн понял, что искривляетсяпространство-время.В1913 г.ЭйнштейниГроссман совместнонаписалистатью,вкоторойвыдвинулиидею,что сила, окотороймыдумаемкакогравитации, — это лишь проявление того, что пространство-времяискривлено. Однако из-за ошибки Эйнштейна (и ему, как всем нам,свойственно было ошибаться), им не удалось найти уравнения, которыесвязываюткривизнупространства-времениснаходящимисявнеммассойиэнергией.ЭйнштейнпродолжилработатьнадпроблемойвБерлине,гдеегонебеспокоилидомашниеделаипрактическинезатронулавойна,ивитоге

нашел правильные уравнения в ноябре 1915 г. Во время поездки вГёттингенский университет летом 1915 г. он обсудил свои идеи сматематиком Давидом Гильбертом, и тот независимо вывел те же самыеуравнения на несколько дней раньше Эйнштейна. Тем не менее самГильберт признавал, что честь создания новой теории принадлежитЭйнштейну. Это была идея последнего — связать гравитацию сискривлением пространства-времени. И надо отдать должноецивилизованноститогдашнегогерманскогогосударства,заточтонаучныедискуссиииобменидеямимоглибезпомехпродолжатьсядажеввоенноевремя. Какой контраст с эпохой нацизма, которая наступила двадцатьюгодамипозже!

Новаятеорияискривленногопространства-времениполучиланазваниеобщей теории относительности, чтобы отличать ее от первоначальнойтеории,котораяневключалагравитациюинынеизвестнакакспециальнаятеорияотносительности.Онаполучилаоченьэффектноеподтверждениев1919 г., когда британская экспедиция наблюдала в Западной Африкенезначительное изгибание света звезды, проходящего вблизи Солнца вовремя затмения (рис. 1.13). Это было прямым доказательством того, чтопространство и время искривляются, и стимулировало самый глубокийпересмотрпредставленийоВселенной,вкотороймыживем,стехпоркакЕвклиднаписалсвои«Начала»около300г.н.э.

Рис.1.13.Искривлениесвета

Свет звезды проходит вблизи Солнца и отклоняется, посколькуСолнцеискривляетпространство-время (а).Этоприводиткнебольшомусмещению видимого положения звезды при наблюдении с Земли (Ь).Увидетьтакоеможнововремязатмения.

Общая теория относительностиЭйнштейна превратила пространствои время из пассивного фона, на котором разворачиваются события, вактивных участников динамических процессов во Вселенной. И отсюда

выросла великая задача, которая остается на переднем крае физики XXIвека. Вселенная заполнена материей, и эта материя искривляетпространство-время таким образом, что тела падают друг на друга.Эйнштейн обнаружил, что его уравнения не имеют решения, котороеописывало бы статическую, неизменную во времени Вселенную. Вместотого чтобы отказаться от такой вечной Вселенной, в которую он верилнаряду с большинством других людей, Эйнштейн подправил своиуравнения, добавив в них член, названный космологической постоянной,который искривлял пространство противоположным образом, так чтобытела разлетались. Отталкивающий эффект космологической постоянноймог сбалансировать эффект притяжения материи, тем самым позволяяполучить статическое решение для Вселенной. Это была одна извеличайших упущенных возможностей в теоретической физике. Если быЭйнштейнсохранилпервоначальныеуравнения,онмогбыпредсказать,чтоВселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. На деле жевозможность меняющейся во времени Вселенной не рассматриваласьвсерьезвплотьдонаблюдений,выполненныхв1920-хгг.на100-дюймовомтелескопеобсерваторииМаунт-Вилсон.

Эти наблюдения обнаружили, что чем дальше находится другаягалактика,тембыстрееонаотнасудаляется.Вселеннаярасширяетсятакимобразом, что расстояние между любыми двумя галактиками со временемпостоянно увеличивается (рис. 1.14). Это открытие сделало ненужнойкосмологическую постоянную, введенную, чтобы обеспечиватьстатическое решение для Вселенной. Позднее Эйнштейн называлкосмологическую постоянную величайшей ошибкой в своей жизни.Однако, похоже, она вовсе не была ошибкой: недавние наблюдения,описанные в главе 3, говорят о том, что в действительностикосмологическая постоянная может иметь небольшое, отличное от нулязначение.

Рис.1.14

Наблюдения за галактиками говорят о том, что Вселеннаярасширяется: расстояния между почти любой парой галактикувеличивается.

Общая теория относительности радикально изменила содержаниедискуссий о происхождении и судьбе Вселенной. Статическая Вселеннаяможетсуществоватьвечноилибытьсозданавеенынешнемвиденекотороевремяназад.Однакоеслигалактикисейчасразбегаются,этоозначает,чтовпрошломонидолжныбылирасполагатьсяближе.Около15миллиардовлетназадонибуквальносиделидругнадругеиплотностьбылаоченьвысокой.Это было состояние «первичного атома», как назвал его католическийсвященникЖоржАеметр,первымначавшийизучатьрождениеВселенной,котороемытеперьименуемБольшимвзрывом.

Эйнштейн, видимо, никогдане воспринималБольшойвзрыв всерьез.Он, похоже, считал, что простая модель однородного расширенияВселенной должна нарушиться, если попробовать проследить движения

галактик назад во времени, и что небольшие боковые скорости галактикприведут к тому, что они не столкнутся.Он считал, что ранееВселеннаямогланаходитьсявфазесжатия,ноещепривесьмаумереннойплотностииспытатьотражениеиперейтикнынешнемурасширению.Однако,какнамтеперь известно, для того чтобы ядерные реакции в ранней Вселеннойсмоглинаработатьтоколичестволегкихэлементов,котороемынаблюдаем,плотность должна была достигать по крайнеймере тоннына кубическийсантиметр, а температура — десяти миллиардов градусов. Более того,наблюдения космического микроволнового фона указывают на то, чтоплотность, вероятно, достигала триллиона триллионов триллионовтриллионов триллионов триллионов (1 с 72 нулями) тонн на кубическийсантиметр.

СтодюймовыйтелескопХукеравобсерваторииМаунт-Вилсон.

Намтакжеизвестно,чтообщаятеорияотносительностиЭйнштейнанепозволяет Вселенной отразиться, перейдя из фазы сжатия в фазурасширения. Как будет рассказано в главе 2, мы с Роджером Пенроузомсмогли показать: из общей теории относительности вытекает, чтоВселенная началась с Большого взрыва. Так что теория Эйнштейнадействительнопредсказывает,чтовремяимеетначало,хотяемусамомуэта

идеяникогданенравилась.Еще менее охотно Эйнштейн признавал предсказание общей теории

относительностиотом,чтодлямассивныхзвездвремядолжнопрекращатьсвое течение, когда их жизнь заканчивается и они не могут большегенерировать достаточно тепла для сдерживания собственной силыпритяжения,котораястремитсяуменьшитьихразмеры.Эйнштейнполагал,чтотакиезвездыдолжныприходитькравновесномуконечномусостоянию,нотеперьмызнаем,чтодлязвезд,вдвоепревышающихпомассеСолнце,подобного конечного состояния не существует. Такие звезды будутсжиматься, пока не станут черными дырами областями пространства-времени, настолько искривленными, что свет не может выйти из нихнаружу(рис.1.15).

Рис.1.15

Когдамассивная звезда исчерпывает свои запасы ядерноготоплива,она теряет тепло и сжимается. Искривление пространства-вре-менистановитсястольсильным,чтовозникаетчернаядыра,изкоторойсветнеможетвырваться.Внутричернойдырынаступаетконецвремени.

Как показали мы с Пенроузом, из общей теории относительностиследует:внутричернойдырывремязаканчивается,какдлясамойзвезды,такидлянесчастногоастронавта,которомуслучитсятудаупасть.Однакоиначало,иконецвременибудутточками,вкоторыхуравненияобщейтеорииотносительности перестают работать. В частности, теория не можетпредсказать,чтодолжнообразоватьсяизБольшоговзрыва.Кое-ктовидитвэтомпроявление божественной свободы, возможность запустить развитиеВселенной любым угодным Богу способом, но другие (включая меня)чувствуют, что в начальный момент Вселенная должна управляться темижезаконами,чтоивдругиевремена.Вглаве3описанынекоторыеуспехи,достигнутые на пути к этой цели, но у нас пока нет полного пониманияпроисхожденияВселенной.

Причина, по которой общая теория относительности перестаетработать в момент Большого взрыва, состоит в ее несовместимости сквантовой теорией, другой великой революционной концепциейХХ века.Первыйшагвсторонуквантовойтеориибылсделанв1900г.,когдаМаксПланк вБерлинеоткрыл, что свечениеразогретогодокрасна телаудаетсяобъяснить, если свет испускается и поглощается только дискретнымипорциями — квантами. В одной из своих основополагающих статей,написанных в 1905 г., в период работы в патентном бюро, Эйнштейнпоказал, что планковская гипотеза квантов позволяет объяснить такназываемый фотоэлектрический эффект — способность металловиспускать электроны, когда на них падает свет. На этом основанысовременные детекторы света и телекамеры, и именно за эту работуЭйнштейнбылнагражденНобелевскойпремиейпофизике.

Эйнштейнпродолжилработатьнадквантовойидеейв1920-хгг.,ноонбылглубокообеспокоентрудамиВернераГейзенбергавКопенгагене,ПолаДиракавКембриджеиЭрвинаШрёдингеравЦюрихе,которыеразработалиновую картину физической реальности, получившую название квантовоймеханики. Крохотные частицы лишились определенного положения искорости.Чемточнеемыопределимположениечастицы,темменееточно

мы сможем измерить ее скорость, и наоборот. Эйнштейн был в ужасе отэтой случайностиинепредсказуемости вфундаментальных законахи такникогда полностью и не принял квантовой механики. Его чувства нашливыражениев знаменитомизречении:«Богнеиграетвкости».Междутембольшинство остальных ученых согласились с корректностью новыхквантовыхзаконов,которыевеликолепносогласовывалисьснаблюдениямии давали объяснения целому ряду прежде необъяснимых явлений. Этизаконы лежат в основе современных достижений химии, молекулярнойбиологии и электроники — технологий, которые преобразили мир запоследниеполвека.

В декабре 1932 г., поняв, что нацисты вот-вот придут к власти,Эйнштейн покидает Германию и четыре месяца спустя отказывается отнемецкогогражданства.Оставшиеся20летсвоейжизнионпровелвСША,вПринстоне,штатНью-Джерси, где работал вИнституте перспективныхисследований.

АльбертЭйнштейнскуклой,изображающейегосамого,вскорепослепереездавАмерику

Многиенемецкиеученыебылиевреямипонациональности,анацистыначали кампанию против «еврейской науки», что в числе прочих причинпомешало Германии создать атомную бомбу. Эйнштейн и его теория

относительности стали основными мишенями этой кампании. Была дажевыпущенакнига«СтоавторовпротивЭйнштейна»,начтоэтотпоследнийзаметил: «Зачем сто? Если бы я был неправ, хватило бы одного». ПослеВторой мировой войны он настаивал на том, чтобы союзники учредиливсемирное правительство для контроля над ядерным оружием. В 1952 г.емупредложилистатьпрезидентомГосударстваИзраиль,ноЭйнштейнэтопредложение отклонил. Однажды он сказал: «Политика существует длямгновения, а уравнения — для вечности». Уравнения общей теорииотносительности Эйнштейна — лучшая эпитафия и памятник для него.Онипросуществуютстолькоже,сколькоВселенная.

За последнее столетие мир изменился гораздо сильнее, чем за всепредыдущиевека.Причинойтомупослужилиненовыеполитическиеилиэкономические доктрины, а достижения технологии, которые сталивозможныблагодаряпрогрессуфундаментальныхнаук.Иктоможетлучшесимволизироватьэтотпрогресс,чемАльбертЭйнштейн?

Глава2Формавремени

Отом,чтотеорияотносительностипридает времени форму и как это можно

примиритьсквантовойтеорией

Чтотакоевремя?Тотлионовечнокатящийсяпоток,чтосмываетвсенашимечты,какговоритсявстаринномпсалме?[3]Илиэтоколеяжелезнойдороги? Возможно, у нее есть петли и кольца, так что вы можете,продолжаядвижениевперед,вернутьсякстанции,которуюужеминовали(рис.2.1).

Рис.2.1Модельвременикакжелезнодорожногопути

Что есть время? Представляет ли оно собой единственнуюмагистральную колею с односторонним движением — из прошлого вбудущее — или возможны уходящие назад петли, которые вновьсоединяются с основной магистралью на уже пройденном составомразъезде?

ЧарльзЛэмбвXIXвекеписал: «Ничтонеозадачиваетменя так, каквремя и пространство. И ничто не беспокоит меня меньше, чем время ипространство,посколькуяникогданедумаюоних».Большинствоизнаспочти никогда не беспокоится о времени и пространстве, чем бы они нибыли; но все мы иногда задумываемся, что же такое время, откуда оновзялосьикуданасведет.

Любаяразумнаянаучнаятеория,касаетсялионавремениилилюбогодругого предмета, должна, по моему мнению, основываться на наиболееработоспособной философии науки— позитивистском подходе, которыйбыл разработан Карлом Поппером и другими. Согласно этому образумыслинаучнаятеория—этоматематическаямодель,котораяописываетисистематизирует производимые нами наблюдения. Хорошая теорияописываетширокийкругявленийнабазенесколькихпростыхпостулатовидает ясные предсказания, которые можно проверить. Если предсказаниясогласуютсяснаблюдениями,теориявыдерживаетиспытание,хотяникогда

нельзябудетдоказатьееправильность.Сдругойстороны,еслинаблюденияне соответствуют предсказаниям, придется либо отбросить, либомодифицировать теорию. (По крайней мере, предполагается, что такдолжно быть. На практике люди часто задаются вопросом о точностинаблюдений, а также надежности и моральном облике тех, кто ихвыполнял.)Еслиприниматьпозитивистскиепринципы,какэтоделаюя,тоневозможносказать,чтовдействительностипредставляетсобойвремя.Внашихсилахлишьописатьто,что,какмызнаем,являетсяоченьхорошейматематическоймодельюдлявремени,иперечислить,какиепредсказанияонапозволяетсделать.

Исаак Ньютон дал нам первую математическую модель времени ипространства в своем труде «Principia Mathematica» («Математическиеначала натуральной философии»), опубликованном в 1687 г. Ньютонзанимал в Кембридже кресло Лукасовского профессора математики[4],которое ныне занимаю я, правда, в его время ононе имело электронногоуправления[5].

ИсаакНьютонопубликовалсвоюматематическуюмодельвремениипространстваболее300летназад

В ньютоновской модели время и пространство были тем фоном, накоторомсобытияразворачивались,нокоторыйонине затрагивали.Время

былоотделеноотпространстваирассматривалоськакединственнаялиния,железнодорожнаяколея,бесконечнаявобоихнаправлениях(рис.2.2).

Самовремясчиталосьвечнымвтомсмысле,чтооносуществовалоибудет существовать всегда. В противоположность этому большинстволюдей полагало, что физический мир был создан в более или менеесовременном виде всего несколько тысяч лет назад. Это беспокоилофилософов, таких как немецкий мыслитель Иммануил Кант. ЕслиВселенная действительно создана, то зачем нужно было ждать целуювечность перед ее созданием? С другой стороны, если Вселеннаясуществуетвечно,топочемувсе,чтодолжнопроизойти,ещенеслучилось,иначеговоря,почемуисторияещенезакончилась?Ивчастности,почемуВселеннаяещенедостиглатермодинамическогоравновесиясповсеместноодинаковойтемпературой?

Кант назвал эту проблему «антиномией чистого разума», посколькуонаказаласьемулогическимпротиворечием;онанеимеларешения.Ноэтобыло противоречием только в контексте ньютоновской математическоймодели, в которой время представляло собой бесконечную линию, независящую от того, что случается во Вселенной. Между тем, как былопоказано в главе 1, Эйнштейн в 1915 г. выдвинул совершенно новуюматематическую модель — общую теорию относительности. За годы,прошедшиеспоявления статьиЭйнштейна,мыдобавиликнейкое-какиедетали, но в целом наша модель по-прежнему основана на том, что

предложил Эйнштейн. В этой и последующих главах будет описано, какразвивалисьнашипредставленияпослепубликацииреволюционнойстатьиЭйнштейна.Этобылаисторияуспешнойработыбольшогочислалюдей,иягоржусь,чтосмогвнестивнеесвойнебольшойвклад.

Общая теория относительности объединяет временное измерение стремя измерениями пространства и образует то, что мы называемпространством-временем(рис.2.3).Теориявключаетдействиегравитации,утверждая,чтонаполняющиеВселеннуювеществоиэнергияискривляютидеформируют пространство-время так, что оно перестает быть плоским.Объектывпространстве-временистремятсядвигатьсяпопрямымлиниям,но поскольку оно само искривлено, их пути выглядят изогнутыми. Онидвижутсятак,будтонанихдействуетгравитационноеполе.

Рис.2.3.Формаинаправлениевремени

Теория относительности Эйнштейна, которая согласуется сбольшим числом экспериментов, говорит, что время и пространствонеразделимо переплетены. Невозможно искривить пространство, незатрагивая времени.Поэтому время имеетформу.Однако оно все равнодвижетсяводномнаправлении,какпаровозынаэтомрисунке.

В качестве грубой аналогии, которую не следует восприниматьбуквально, представьте себе лист резины. Можно положить на негобольшоймяч,которыйбудетизображатьСолнце.Весмячапродавитлистивызовет его искривление вблизиСолнца. Если теперь запустить по листумаленькийшарик,тотнебудеткатитьсяпрямоотодногокраякдругому,авместо этого станет двигаться вокруг большой массы, подобно тому какпланетыобращаютсявокругСолнца(рис.2.4).

Рис.2.4Аналогиясрезиновымлистом

Большой шар в центре представляет массивное тело, напримерзвезду.Под действием весатела лист вблизи него искривляется.Шарик,катящийся по листу, отклоняется этой кривизной и двигается вокругбольшогошара,подобнотомукакпланетывгравитационномполезвездыобращаютсявокругнее.

Этааналогиянеполна,посколькувнейискривляетсятолькодвумерноесечение пространства (поверхность резинового листа), а время остаетсявовсенезатронутым,каквньютоновскоймеханике.Темнеменеевтеорииотносительности, которая согласуется с большим числом экспериментов,времяипространствонеразрывносвязаныдругсдругом.Нельзядобитьсяискривления пространства, не вовлекая также и время. Получается, чтовремя имеет форму. Благодаря искривлениям пространство и время вобщей теории относительности превращаются из пассивного фона, накоторомразвиваютсясобытия,вдинамическихучастниковпроисходящего.ВтеорииНьютона,гдевремясуществуетнезависимоотвсегоостального,можно спросить: что делал Бог до того, как Он создал Вселенную? Как

говорил Августин Блаженный, не следует сводить эту тему к шуткам попримеру человека, сказавшего: «Он готовил ад для чрезмернолюбопытных». Это слишком серьезный вопрос, над которым людиразмышляли веками.СогласноБлаженномуАвгустину, перед тем какБогсоздал небеса и землю, Он вообще ничего не делал. На самом деле этооченьблизкоксовременнымпредставлениям.

АвгустинБлаженный.

Рисунок из его книги «О граде Божьем» («De Civitate Dei»), XII в.Библиотека «Лоренциана»,Флоренция. Этотмыслитель,живший в V в.н.э.,считал,чтовременинесуществовалодосотворениямира.

С одной стороны, в общей теории относительности время ипространство не существуют независимо от Вселенной и друг от друга.Они определяются посредством измерений, выполняемых внутриВселенной, например по числу колебаний кварцевого кристалла в часахили по длине линейки. И совершенно ясно, что раз время определеноподобным образом внутри Вселенной, то у него должны бытьминимальный и максимальный отсчеты, иными словами, начало и конец.Неимеетникакогосмысласпрашивать,чтослучилосьдоначалаилипослеконца,посколькунельзяуказатьтакихмоментоввремени.

По-видимому,важнопонять,действительнолиматематическаямодельобщейтеорииотносительностипредсказывает,чтоВселеннаяисамовремядолжны иметь начало и конец. Общее для физиков-теоретиков, включаяЭйнштейна, предубеждение состояло в том, что время должно бытьбесконечнымвобоихнаправлениях.Сдругойстороны,имелисьнеудобныевопросы о сотворении мира, которые, как казалось, находятся внекомпетенции науки. Такие решения уравнений Эйнштейна, в которыхвремяимелоначалоиликонец,былиизвестны,ноониполучалисьвоченьспециальных высокосимметричных частных случаях. Считалось, что дляреальноготела,коллапсирующегоподдействиемсобственнойгравитации,давление и боковые скорости должны предотвратить падение всеговеществаводнуточку,вкоторойплотностьвозрастаетдобесконечности.Аналогично, если проследить назад во времени расширение Вселенной,могло оказаться, чтоматерия вовсе не была выброшена из одной точки сбесконечной плотностью, называемой сингулярностью, которая можетслужитьначаломиликонцомвремени.

В 1963 г. двое советских ученых, Евгений Лифшиц и ИсаакХалатников, объявили: они располагают доказательством того, что всерешения уравнений Эйнштейна с сингулярностью имеют особоераспределение материи и скоростей. Вероятность того, что решение,представляющее нашу Вселенную, имеет такое специальноераспределение, была практически нулевой. Почти все решения, которыемогут соответствовать нашей Вселенной, должны обходиться безсингулярности с бесконечной плотностью. Эре, в течение которойВселенная расширяется, должна была предшествовать фаза сжатия, вовремя которой вещество падало само на себя, но избегало столкновения,

разлетаясь вновь в современной фазе расширения. Если бы все обстоялоименнотак,товремямоглобыдлитьсявечно—отбесконечногопрошлогодобесконечногобудущего.

Не все согласились с аргументами Аифшица и Халатникова. Мы сРоджером Пенроузом применили другой подход, основанный не надетальном изучении решений, а на глобальной структуре пространства-времени. В общей теории относительности пространство-времяискривляется не только находящимися в нем массивными объектами, нотакжеэнергией.Энергиявсегдаположительна,поэтомуонавсегдапридаетпространству-времени такую кривизну, которая сближает лучи друг сдругом.

Рассмотрим световой конус прошлого (рис. 2.5), представляющийсобой пути сквозь пространство-время лучей света далеких галактик,приходящихкнамвнастоящеевремя.Надиаграмме,гдевремянаправленовверх, а пространство — в стороны, получается конус с вершиной, вкоторойнаходимсямы.

Рис.2.5

Когдамысмотримнадалекиегалактики,товидимВселеннуютакой,какойонабыла в прошлом, поскольку светраспространяется с конечнойскоростью. Если мы представим время вертикальной осью, а двапространственных измерения — горизонтальными осями, то свет,который сейчас достигает нас в верхней точке, движется к нам поповерхностиконуса.

Помередвижениявпрошлое,отвершинывнизпоконусу,мывидимгалактики во все более и более раннее время. Поскольку Вселеннаярасширяется и все объекты становятся намного ближе друг к другу, нашвзгляд проходит через области со все большей плотностью материи.Мынаблюдаем слабый фон микроволнового излучения, который приходит кнамвдольсветовогоконусапрошлогоизнамногоболеераннеговремени,когда Вселенная была значительно плотнее и горячее, чем сейчас.Настраиваяприемникнаразныечастотымикроволн,мыможемизмеритьспектр излучения (распределение энергии по частотам). Мы обнаружилиспектр,которыйхарактерендляизлучениятеластемпературой2,7градусавышеабсолютногонуля.Этомикроволновоеизлучениемалопригоднодляразмораживания пиццы, но сам факт, что его спектр столь точносоответствует излучению тела с температурой 2,7 градуса Кельвина,говорит о том, что оно должно приходить из области, непрозрачной длямикроволн(рис.2.6).

Рис.2.6Измерениеспектрамикроволновогофона

Спектр космического микроволнового излучения, то естьраспределение его интенсивности по частотам, характерен длянагретого тела. Чтобы излучение пришло в тепловое равновесие, онодолжно многократно рассеиваться на веществе. Это указывает на то,чтовсветовомконусенашегопрошлогодолжнобылобытьдостаточновещества,чтобывызватьегостягивание.

Итак, можно заключить, что наш световой конус прошлого, еслипроследить егоназад, проходитчерез определенное количество вещества.Этого количества достаточно для искривления пространства-временитаким образом, чтобы лучи света в нашем световом конусе изогнулисьнавстречудругдругу(рис.2.7).

Рис.2.7Искривленноепространство-время

Поскольку гравитация вызывает притяжение, вещество всегдаискривляетпространство-времятак, чтолучисветаизгибаютсяодинкдругому.

По мере движения назад во времени поперечное сечение световогоконуса прошлого достигнет максимального размера и вновь начнетуменьшаться.Нашепрошлоеимеетгрушевиднуюформу(рис.2.8).

Рис.2.8.Грушевидноевремя

Еслипроследитьсветовойконуснашегопрошлогоназадвовремени,враннейВселеннойонстянетсяподвоздействиемвещества.ВсяВселенная,которая доступна нашим наблюдениям, содержится в области, границыкоторой сжимаются до нуля в момент Большого взрыва. Это будетсингулярность, место, где плотность материи должна возрастать добесконечности, а классическая общая теория относительности

перестаетработать.

Следуя дальше вдоль светового конуса нашего прошлого, мыобнаружим, что положительная плотность энергии вещества заставляетлучи света загибаться друг к другу еще сильнее. Поперечное сечениесветового конуса стягивается к нулевому размеру за конечное время.Этоозначает, что все вещество внутри светового конуса прошлого загнано вобласть, граница которой стягивается к нулю. Неудивительно, что мы сПенроузом смогли доказать: в математической модели общей теорииотносительностивремядолжноиметьначаловвидетого,чтомыназываемБольшим взрывом.Аналогичные аргументы показывают, что время будетиметь конец, когда звезда или галактика коллапсирует под действиемсобственного тяготения и образует черную дыру. Мы обошли парадоксчистого разума Канта, отбросив его неявное предположение о том, чтовремяимеетсмыслнезависимоотВселенной.Нашастатья,доказывающая,чтовремяимелоначало,занялавтороеместонаконкурсе,организованномФондомизучениягравитации(GravityResearchFoundation)в1968г.,имысРоджеромподелилищедрыйпризв300долларов.Недумаю,чтовтомгодукакая-либо другая из поданных на конкурс работ имела стольнепреходящуюценность.

Наша статья вызвала разнообразные отклики. Многих физиков онаогорчила,но затообрадовалатехрелигиозныхлидеров,которыевериливакт Творения — здесь было его научное доказательство. Между темЛифшициХалатниковоказалисьвнеловкомположении.Онинемоглиниоспорить математическую теорему, которую мы доказали, ни признать вусловиях советской системы, что они ошиблись, а западные ученыеоказались правы. И все же они сохранили лицо, найдя более общеесемействорешенийссингулярностью,котороенебылоспециальнымвтомсмысле, в котором это относилось к их прежним решениям. Последнеепозволило им объявить сингулярности, а также начало и конец временисоветскимоткрытием.

Большинство физиков по-прежнему инстинктивно не любят мысль отом,чтовремяимеетначалоиликонец.Поэтомуониотмечают,чтоданнаяматематическая модель не может считаться хорошим описаниемпространства-временивблизи сингулярности.Причина состоит в том, чтообщая теория относительности, которая описывает силу гравитации,является, как отмечалось в главе 1, классической теориейине учитываетнеопределенности квантовой теории, которая управляет всеми другимиизвестными нам силами. Эта несовместимость не играет никакой роли в

большей части Вселенной на протяжении большей части времени,поскольку масштаб, в котором искривляется пространство-время, оченьвелик,амасштаб,вкоторомсущественныквантовыеэффекты,оченьмал.Но вблизи сингулярности эти два масштаба становятся сравнимыми иквантовыегравитационныеэффектыдолжныстановитьсясущественными.Поэтому в теореме о сингулярностимы сПенроузом в действительностиустановили, что наша классическая область пространства-времениограничена со стороны прошлого и, возможно, со стороны будущегообластями,вкоторыхсущественныэффектыквантовойгравитации.Чтобыпонять происхождение и судьбу Вселенной, нам необходима квантоваятеориягравитации,ионабудетпредметомбольшейчастиэтойкниги.

Квантовые теории для таких систем, как атомы, с конечным числомчастиц,былисформулированыв1920-х гг.Гейзенбергом,ШрёдингеромиДираком.(Дирактакжезанималкогда-томоекресловКембридже,ноипринем оно не было моторизовано.) Однако попытка распространитьквантовые идеи на максвелловское (электромагнитное) поле, котороеописываетэлектричество,магнетизмисвет,столкнуласьструдностями.

Принципнеопределенности

Важнымшагомкоткрытиюквантовойтеориисталовыдвинутоев

1900 г. Максом Планком предположение, что свет всегда существует вформе небольших пакетов, которые он назвал квантами. Но хотяквантоваягипотезаПланкаполностьюобъясниланаблюдаемыйхарактеризлучения горячих тел, полный масштаб ее следствий не осознавался досередины 1920-х гг., когда немецкий ф